1257年，蒙哥决定大举征伐南宋。第二年二月，他命幼弟阿里不哥居守和林，阿兰答儿辅佐，而亲自率军进入西蜀。同时，他命塔察儿、张柔攻长江中游，在东面配合；又命原已由大理攻入交趾的兀良合台引兵北上，形成南北夹击之势。塔察儿在前线失利，蒙哥命忽必烈统领东路军队。十一月，忽必烈从开平出发。
一、蒙哥去世，阿里不哥谋继汗位
蒙哥一路进军的主要目标是长江上游的要冲重庆。蒙古军队分道沿涪江、嘉陵江、巴江一渠江南下，攻克了许多州县。1258年年底，蒙哥主力军队进抵合州(今四川合川)。合州处在嘉陵江、涪江会合处，隔嘉陵江以东有一个钓鱼城。城在山上，南西北三面是嘉陵江河湾，形势十分险要。南宋合州知州王坚动员所属十七万民丁在钓鱼城修固城墙，开池凿井，为守城作了充分准备。蒙哥进驻城东的石子山，切断鱼城的外援，从1259年二月初开始发动猛攻，但直至五月底，不能成功。六月初，蒙哥亲临前沿阵地视察，身负重伤，七月去世。
当蒙哥攻钓鱼城时，忽必烈正从邢州向鄂州(今武昌)进发。八月初渡过淮河，入大胜关。接着，进抵长江北岸。蒙哥去世，他的异母弟末哥立即派使者去报告忽必烈。使者对忽必烈说：“末哥请你回漠北去，以你的威望维系天下人心。”忽必烈觉得奉命南征，不能无功班师，仍然率大军渡江，派兵攻鄂州。这时，兀良合台也已经从交趾经邕州(今广西南宁)、桂州(今广西桂林)，北指潭州(今湖南长沙)，并与忽必烈取得联系。忽必烈与兀良合台对鄂州形成南北夹攻的形势，南宋朝廷十分震惊，急派贾似道以右丞相兼枢密使，驻军汉阳，援助鄂州。但是，这时传来了阿里不哥谋继汗位的消息。
蒙哥去世，留在哈刺和林的阿里不哥在蒙哥诸子和亲信大臣的支持下急忙策划继任汗位，并立即行动起来。当时大军在征宋前线，于是阿里不哥派阿兰答儿发兵于漠北诸部，派脱里赤发兵于漠南。当阿兰答儿进至离开平一百余里的地方时，忽必烈妻子察必听到这种情况，派人责问“发兵这样的大事，成吉思汗的曾孙真金(忽必烈与察必之子)在这里，为什么不让知道？”她察觉有变，立刻秘密派人去报告忽必烈。
二、忽必烈与南宋议和
十ー月，忽必烈在前线得到察必的秘报，立即召集随军的诸王、大将和幕僚商议对策。郝经说：“现在阿里不哥已经行动起来。大王虽然握有重兵，但是，如果他宣称有遗诏，正式继位我们还回得去吗？愿大王以社稷为念，与宋议和，而后亲率轻骑，直奔燕都，使他们的阴谋奸计冰消瓦解。同时，需要采取下列措施：派一支军队去堵住先帝灵舁，收皇帝印玺；遣使通知旭烈元、阿里不哥、末哥诸王会丧和林；差官到诸路抚慰安辑，命王子真金镇守燕京。要摆出这样的架势，那就能得到汗位。”
忽必烈认为很对。正好南宋贾似道的使者又来议和，请求称臣，以江为界，每岁纳银二十万两、绢二十万匹。忽必烈当即同意后，断然北上。他把大军留在江北，自己率领一支亲军先行。半路上，听了商挺提醒的话，又派人回到大军立约防备。不久，阿里不哥的使者果真来到军中，忽必烈手下的将领便按约把他们杀了。
三、大蒙古国出现了两个可汗
1259年年底，忽必烈抵达燕京。这时，脱里赤正在括兵。忽必烈问他为什么括兵，脱里赤假托说这是蒙哥的临终遗命。忽必烈察知其中有诈，将他所括的兵全部遣散了。忽必烈在燕京近郊过冬。阿里不哥通知忽必烈去漠北参加忽邻勒塔(聚会)，会葬蒙哥；同时，任亲信刘太平、大将霍鲁怀行尚书省事于京兆。忽必烈不理会阿里不哥的通知。他命廉希宪先到开平“审察事变”。廉希宪在开平劝说有实力有影响的塔察儿拥戴忽必烈为汗，获得成功。
1260年三月，忽必烈到达开平，召集忽邻勒塔，诸王塔察儿、也先哥、合丹、末哥等以及大臣们再三劝进。当时，有些地位高的王，如旭烈兀、别儿哥(拔都弟)，没有到会，忽必烈有点犹豫。廉希宪和商挺私下对他说：“先发制人，后发人制。事机一失，就再也追不回来了。”这样，忽必烈终于登上汗位。
四月，阿里不哥得知忽必烈抢先一步，便也在和林城西按坦河召集另一个忽邻勒塔，在另一些王的拥戴下继位。
大蒙古国出现了两个可汗，他们是兄弟，都有一部分宗室的拥护，都通过了忽邻勒塔的推举。兄弟之间这样尖锐的夺位斗争只能诉诸武力来解决了。
四、双方在甘州以东大战，阿里不哥失去了西线的军势
在诸王中，以塔察儿(成吉思汗弟幹赤斤之孙)、也先哥(成吉思汗弟合撒儿之子)为首的东道诸王是支持忽必烈的；西道诸王处于分化状态，有的支持忽必烈，有的支持阿里不哥。忽必烈又能控制中原地区，阿里不哥便在偏西的地方寻求发展。
在派阿兰答儿发兵漠北以后，阿里不哥又派刘太平、霍鲁怀到关中拘收钱谷。驻于六盘山的大将浑都海倒向阿里不哥，与刘太平互通声气，又约驻在成都的密里霍者、驻在青居(在今四川南充南三五里)的乞台不花一起举事。顷刻之间，陕川一带的局势严重起来了。
忽必烈在四月间任命八春、廉希宪、商挺为陕西四川等路宣抚使。他们立即赶到京兆。六月，廉希宪捕杀刘太平、霍鲁怀，又命刘黑马诛杀密里霍者于成都，命汪惟正诛杀乞台不花于青居。八春、汪良臣出击浑都海，适逢阿兰答儿自和林率军与浑都海会合，合丹也来与八春会合。双方在甘州(今甘肃张掖)以东大战，阿兰答儿、浑都海兵败被杀。合丹、廉希宪等在陕川的胜利，使阿里不哥失去了西线的军势，失去了有可能从陕川得到的财力物力。